CAE技術在車輛設計開發中的應用探究

（河北工業大學 機械工程學院，天津 300131）

CAE技術在車輛設計開發中的應用探究

王金剛，李春玉

（河北工業大學 機械工程學院，天津 300131）

為有效解決車輛設計中的傳統問題，也就是在設計的時候往往對產品性能影響較大的結構的考慮不足，使得設計的中、后期要予以多次的反復修改，把CAE技術引進車輛設計開發過程中。文章先論述CAE技術對車輛設計和開發的意義，繼而研究分析參數化建模以及網格變形等技術的應用，分析用CAE技術在車輛設計中提取設計變量的方法。結果顯示，CAE技術可以實現CAE驅動設計，可有效縮短產品的設計開發周期。

CAE技術；車輛設計；參數化建模；網格變形

目前汽車市場的競爭壓力加劇，對于汽車的需要也不在不斷的提高，基本需求如可靠性、安全性與NVH等必須滿足，同時還需要縮短開發時間，最大限度的降低汽車成本，以獲取最大的利潤。CAE技術具有分析計算的功能，能夠非常合理迅速的制定一些優化方案，進而能夠實現輕量化。這樣CAE技術也能解決實際的問題。在汽車的結構設計中，CAE技術應用的越來越廣泛。設計師可以結合自身經驗來建立模型、優化分析和CAE分析。同時CAE分析模式改變了以往傳統的模式，而可以被看做是一種驗算模式，能夠多次進行迭代，最后找到最優的解決方案，給設計帶來更多的可能，優化不理想模型所存在的問題，實現真正的CAE技術的驅動設計。

1 CAE技術對車輛設計開發的主要意義

1.1 增強車輛設計研究的效率，縮短開發的周期

研究車輛設計時，為了使得一些現有問題能夠在設計的最初階段充分顯現，可以借助于CAE技術來對汽車的動力學進行分析和仿真探究，主要可以對其安全性能以及噪音振動等方面進行重點分析，這樣就能夠將問題第一時間解決。基于此，相關設計者就可以結合所發現問題對汽車的設計方案予以改進，能夠對車輛性能明顯進行優化，另外還可以在一定程度上減少開發的時間。

1.2 利用模擬樣機來有效節約設計成本

對于車輛設計可以有效利用計算機，將車輛圖像在計算機中模擬出來，這樣有利于研發車輛的工程師和有關設計者按照這一模型進行各種各樣的分析，同時優化設計的方案，借助于科學技術的數字化來逐步取代以前實物樣機的測試。對樣機進行模擬，可以看做是一個解析系統，而且這個解析系統會對生產以及設計產生影響，可以在相當大的程度上減小車輛在設計開發上的難度，減短生產的周期，還可有效增強車輛的質量與性能。

1.3 統一平臺，利用多方技術共同作用，制出好車

在當前這個階段，在仿真基礎上能夠實現很多的CAE技術，也就是用于設計車輛以及開發等地方。這樣就會讓計算結果較為片面，從而產生一定的誤差。但是，要想使結果更加準確，可以構建一個由科學合理、統一協調的多學科仿真平臺，進而實現CAE分析和研究，同時能夠綜合考慮單一模型這方面問題的影響，繼而能生動、形象的模擬車輛運行的過程、形態，以提升車輛制作精度與可靠性。

2 車輛設計中廣泛應用CAE技術

2.1 用參數化的建模技術對設計變量予以設置

參數化建模軟件可以將車身設計主斷面的結構轉變為參數化模型。這種參數化模型在建立的時候可以結合一些手段，比如：點到線到截面到接頭等。具體如下圖1中所示，這個參數化模型會隨著參數的改變而不斷地變化。白車身線條簡單，可以形成有限元模型。對于變化過程中各個數據的變化，可以選擇最優的參數組合，進而得出最佳解。

圖1 參數化模型示意圖

2.2 利用網格變形技術設置設計變量

此處采用的技術主要是利用網格的變形軟件，然后將車的關鍵性指標定為相應的參數，例如：車模型的拉伸、移位以及投影等指標。具體詳見下圖2中所示。通過對這部分參數進行模塊控制，進而來控制各種形式的計算模型，這個規模的級別各異，主要有部件級、車身級以及整車級。分析模型的同一部位，對morphing部位分析，繼而能夠達到多學科的綜合優化目的。

圖2 網格變形參數化模型示意圖

2.3 把網格變形參數當做變量予以優化分析

首先，設置相關的參數，結合有關的參數，將拉伸、投影以及移位等方面設置成morphing過程。

其次，生成DOE矩陣，對不同的設計變量進行模型方面的計算，在iSight中得出最優的結果。

再次，把舊款車型的白車身的幾個方面看作約束，即彎度和扭轉剛度、模態值等等，把目標定為車身質量來進行優化分析。

2.4 分析系統優化后的結果

在白車身維持相對恒定的條件下，例如在彎曲以及扭轉剛度等方面，白車身的質量會出現明顯的減小，計算的具體結果見下表1所示。

表1 計算結果表格

優化之前和之后的正面碰撞分析結果的對比情況具體見圖3中所示，可見加速度呈現峰值的變化，即第一個峰值減小5g，有效加速度減小0.7g。

3 結語

圖3 優化前與后的正面碰撞加速度曲線圖

綜上所述，借助于CAE技術對不同的設計變量進行驗證和優化非常快，尤其是當彎曲以及模態值等相對恒定的條件下，碰撞加速度的峰值跟等效加速度減小之時，白車身的質量會對應的減掉14.4kg，能夠為車輛的設計者提供一定的設計參考，這樣就能夠實現成本降低以及有效縮短整個開發周期的目標。

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U462；TP391.7

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